声子可以代替光子进行量子计算吗？
传统计算机依赖于各种电子元件（图片来源：pixabay）
根据量子力学原理，科学家可以利用微观物质的两种状态作为计算机进行运算的基本单位。这样的运算称之为“量子计算（Quantum Computation）”，它是近年来物理学和信息科学领域研究的热点之一。科学家希望通过“量子计算”提高目前计算机的信息处理能力和运算速度，以完全发挥它们在网络安全、软件工程、金融管理乃至生物医学等不同领域的重要作用。
量子计算机摆脱了传统计算机对于晶体管等材料的依赖，它使用“量子比特（quantum bit，简称 qubit）”作为基本运算单位。因此，选择什么样的粒子作为“量子比特”，将会很大程度上影响量子计算机的运算能力。在最初的实验中，按照量子力学研究的一般思路，人们使用具有波粒二象性的光子进行量子运算。
我们可以把光子看作是光的粒子，显然光子具有量子计算机所需的量子效应。并且，正如科学家所预期的一样，运用光子进行量子计算的原型机表现出了远超传统计算机的计算能力。但是人们很快发现，利用“声子（phonon）”代替光子作为量子计算的单位或许能够取得更大的优势。
量子计算机将会拥有远超传统计算机的性能（图片来源：pixabay）
和光子一样，我们可以把声波的最基本单位也看作是一种粒子。然而，“声子”很难被科学家在一个极小的时空尺度下进行精密的控制与操作。人们曾经通过转换的方法，将声子存储在电路里，声子破坏的同时可以留下一个可读取的电信号。之所以要采用这种方法，原因在于探测声子的过程本身就会对声子造成破坏，而这种方法在操控光子方面已经拥有许多成功的案例。这种计算单位称为“超导量子比特（superconductor qubit）”。
最近，来自美国标准技术研究所等机构的研究人员重新分析了这个问题。他们希望改进原有的方案，让声子不会在被探测到的时候破坏。另一方面，研究人员还希望找到更多使用声子进行量子计算的优势。
在新设计的量子电路中，通过引入新的材料，声子在大约接近于头发丝直径的距离内折返一次，时间正好可以让研究人员进行一次电流变化的检测。这样一来，研究人员既能间接了解到具体的数值，又不需要真正地破坏声子。相关的研究与分析已经发表在了《物理评论 X》期刊上。
声子和量子计算已经展示出了光明的前景（图片来源：pixabay）
如果我们把同样的技术应用到速度更快的光子上，光子反而是做不到的。我们知道，声音的传播速度比光要慢，而这个差异正好在这项技术中体现出来，“慢速”在这里成为了一种“优势”。根据计算，要实现同等精度的探测，光子需要有12米的往返距离。这个距离显然超出了量子计算的尺度。于是这也从侧面证明了在量子计算领域声子是优于光子的。
这种“慢速”甚至可以实现在同一个超导量子比特中拥有多个模态的声子，从而进一步提高量子计算机的性能。同一个超导量子比特中拥有多个模态的声子，意味着使用这个超导量子比特就能达到使用多个普通超导量子比特的计算效果。然而不能忽视的是，声子的寿命极短，尽管利用声子进行量子计算具有优势，但是显然距离实际的应用还有很长一段路要走。
不过，科学家正在逐步掌握操控声子的技术，声子和量子计算已经展示出了光明的前景，我们也期待今后有更加令人惊喜的成果出现。
原创稿件
制作 叶鹏飞
审校 赵峥 北京师范大学物理系教授
参考文献：Sletten, L., Moores, B. A., Viennot, J. J., & Lehnert, K. W. (2019). Resolving Phonon Fock States in a Multimode Cavity with a Double-Slit Qubit. Physical Review X, 9.
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